Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử - Chương 8: Cấu kiện quang điện tử

Nội dung text: Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử - Chương 8: Cấu kiện quang điện tử

1. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 1. GIỚI THIỆU 2. CÁC CẤU KIỆN BIẾN ĐỔI ĐIỆN – QUANG 2.1 Điôt phát quang (LED) 2.2 Laser bán dẫn 2.3 Mặtchỉ thị tinh thể lỏng (LCD) 3. CÁC CẤU KIỆN CHUYỂN ĐỔI QUANG – ĐIỆN 3.1 Điệntrở quang 3.2 Điôt quang 3.3 Transistor quang lưỡng cực 4. CÁC BỘ GHÉP QUANG (OPTO- COUPLERS) GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 1 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
2. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Giớithiệu chung (1) 1. Khái niệm chung về kỹ thuậtquangđiệntử a. Định nghĩavề kỹ thuật quang điệntử: ¾ Quang điệntử là những hiệu ứng tương hỗ giữabứcxạ ánh sáng và mạch điệntử. Bứcxạ ánh sáng là mộtdạng củabứcxạđiện từ có dảitầnsố dao động rấtcao(λ = 50nm ÷ 100μm) ¾ Các bứcxạ quang được chia ra thành ba vùng: – Vùng cựctímcóλ =50nm ÷ 380nm. – Vùng ánh sáng nhìn thấycóλ = 380nm ÷ 780nm. – Vùng hồng ngoạicóλ = 780nm ÷ 100μm. GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 2 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
3. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Giớithiệu chung (2) b. Phân loạilinhkiện quang điệntử: ƒ Linh kiện quang điệntử gồmcólinhkiệnbándẫn quang điệntử và linh kiện không bán dẫn quang điệntử ƒ Linh kiện bán dẫn quang điệntử: là những linh kiện đượcchế tạotừ vậtliệubándẫnnhưđiệntrở quang, điôt quang, tranzito quang, LED, LASER bán dẫn,v.v ƒ Linh kiệnkhôngphải bán dẫn quang điệntử: như sợi quang dẫn, mặtchỉ thị tinh thể lỏng LCD, ống nhân quang v.v GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 3 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
4. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Giớithiệu chung (3) 2. Hệ thống truyềndẫnquang Sơđồkhốicủa các hệ thống thông tin: NguồnTín tín hiệu hiệuMạch KhốiSợi đồng KhốigiảiMạch thu điệntửđiềuchếđiềuchếđiệntử a. Hệ thống thông tin điện NguồnTín tín hiệu hiệuMạch KhốiKhốiMạch thu điệntử E/ O O/ E điệntử Sợi quang b. Hệ thống thông tin quang Hình 8-1: a. Hệ thống thông tin điện. b. Hệ thống thông tin quang. GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 4 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
5. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Giớithiệu chung (4) Ưu điểmcủahệ thống truyềndẫnquang: ¾ Sợi quang nhỏ, nhẹ hơndâykimloại, dễ uốn cong, tốnítvậtliệu ¾ Sợi quang chế tạotừ thuỷ tinh thạch anh không bịảnh hưởng của nước, axit, kiềm nên không bịănmòn. Đồng thời, sợilàchất điện môi nên cách điệnhoàntoàn, tínhiệutruyềntrongsợi quang không bịảnh hưởng củanhiễu bên ngoài tớivàcũng không gây nhiễuramôitrường xung quanh ¾ Đảmbảobímật thông tin, không sợ bị nghe trộm ¾ Khả năng truyền đượcrất nhiềukênhtrongmộtsợi quang có đường kính rấtnhỏ. Tiêu hao nhỏ và không phụ thuộctầnsố nên cho phép truyềndẫnbăng rộng và tốc độ truyềnlớnhơn nhiềuso vớisợikimloại ¾ Giá thành rấtrẻ GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 5 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
6. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các cấukiệnbiến đổi Điện–Quang (Cấukiện phát quang) ¾ Sự tương tác giữa ánh sáng và vậtchất Sự tương tác giữa ánh sáng và vậtchấtgồm có 3 quá trình: quá trình hấpthụ, quá trình phát xạ tự phát và quá trình phát xạ kích thích a. Quá trình hấpthụ b. Quá trình phát xạ tự phát c. Quá trình phát xạ kích thích hf = Ei − Ek Ei: Mứcnăng lượng kích thích Hình 8- 2: Ba quá trình chủ yếucủasự tương tác giữa ánh sáng và vậtchất GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 6 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
7. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Sự tương tác giữa ánh sáng và vậtchất ¾ Quá trình hấpthụ: quá trình mà tại đókhicómột photon tương tác vớivật chấtthìmột điệntửởmứcnăng lượng cơ bản Ek sẽ nhậnthêmnăng lượng của photon (quang năng) và nhảylênmứcnăng lượng kích thích Ei ¾ Quá trình phát xạ tự phát: quá trình mà các điệntử nhảylênmứcnăng lượng kích thích Ei, nhưng chúng nhanh chóng trở về mứcnăng lượng cơ bản Ek và phát ra photon có năng lượng hν. Mỗimộtphátxạ tự phát ta thu đượcmột photon. Hiệntượng này xảy ra không có sự kích thích bên ngoài nào → gọilà quá trình phát xạ tự phát. Phát xạ này đẳng hướng và có pha ngẫunhiên ¾ Quá trình phát xạ kích thích: Nếucómột photon có năng lượng hν tớitương tác vớivậtchất mà trong lúc đó có một điệntửđang còn ở trạng thái kích thích Ei, thì điệntử này đượckích thíchvàngaylậptức nó di chuyểntrở về mứcnăng lượng cơ bản Ek và phát xạ ra một photon khác có năng lượng cũng đúng bằng. Photon mới phát xạ ra này có cùng pha với photon đi đếnvàđượcgọi là phát xạ kích thích (hay phát xạ cảm ứng) GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 7 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
8. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Điôt phát quang (LED) chỉ thị (1) • Điôt phát quang là linh kiệnbándẫn quang điệntử. Nó có khả năng phát ra ánh sáng khi có hiệntượng tái hợpxảy ra trong tiếp xúc P-N. •Tuỳ theo vậtliệuchế tạo mà ta có ánh sáng bứcxạ ra ở các vùng bước sóng khác nhau • Trong mụcnàytasẽ trình bày trướchếtvề LED bứcxạ ra ánh sáng nhìn thấygọi là LED chỉ thị. • LED chỉ thị có ưu điểmlàtầnsố hoạt động cao, kích thướcnhỏ, công suất tiêu hao nhỏ, không sụt áp khi bắt đầulàmviệc. LED không cầnkínhlọcmàvẫnchoramàusắc. LED chỉ thị rấtrõkhi trờitối. Tuổithọ của LED khoảng 100 ngàn giờ GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 8 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
9. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ LED chỉ thị (2) a. CấutạovàkýhiệucủaLED: TiếpxúcP-N PN A K Hình 8- 3 : Mô hình cấutạovàký hiệucủa LED. A K ƒ Vậtliệuchế tạo điôt phát quang đềulàcácliênkếtcủa các nguyên tố thuộc nhóm 3 & nhóm 5 củabảng tuần hoàn Menđêlêep như GaAs, hoặcliênkết 3 nguyên tố như GaAsP v.v Đây là các vậtliệutáihợptrựctiếp, có nghĩalàsự tái hợp xảyragiữa các điệntửởsát đáy dảidẫn và các lỗ trống ở sát đỉnh dảihóatrị. GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 9 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
10. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các cấutrúccủaLED Light output Light output n p type Dome LED epitaxial layer n type substrate ohmic diffused Planar LED contacts p-type ohmic contacts ƒ LED vòm và LED phẳng đượcsử dụng trong phầnlớncácthiếtbị hiểnthị vớilợiíchlàrútđượclượng ánh sáng cực đạitừ thiếtbịđó=> ánh sáng được phát ra theo tấtcả các hướng và sử dụng các ống kính đượcsắpxếp theo trậttự nhất định để hộitụ ánh sáng. ƒ Burrus LED và LED phát xạ cạnh chủ yếu được dùng trong các hệ thống thông tin sợi quang GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 10 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
11. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 250 μm Burrus LED Multimode ~ 250 μm optical fiber Metal tab Epoxy 50 μm resin Etched well n-AlGaAs n-GaAs 50μm p-GaAs substrate p-AlGaAs Metal contact SiO2 p+-GaAs SiO2 Edge-emitting p+-AlGaAs p-AlGaAs LED Gold stud AlGaAs (Active layer) Metal contact n-AlGaAs Primary light- ~ 50 μm n-GaAs emitting region Các lớpgiớihạnhạtdẫn: GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinhp-AlGaAs and n-AlGaAs www.ptit.edu.vn Trang 11 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
12. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ LED chỉ thị (3) b. Nguyên lý làm việc: + Hình 8- 4 : Sơđồnguyên lý LED U của LED R _ • Khi LED phân cựcthuận, các hạtdẫn đasố khuếch tán ồạtqua tiếpxúcP-N, chúng gặpnhausẽ tái hợp và các photon được phát sinh. •Tốc độ tái hợptrongquátrìnhbứcxạ tự phát này tỉ lệ vớinồng độ điệntử trong phầnbándẫnP vànồng độ lỗ trống trong phầnbándẫnN. Đây là các hạtdẫnthiểusố trong chấtbándẫn. Như vậy, để tăng số photon bứcxạ ra cần phảigiatăng nồng độ hạtdẫnthiểusố trong các phầnbándẫn. •Cường độ dòng điệncủa điôt tỉ lệ vớinồng độ hạtdẫn được "chích" vào các phầnbándẫn, do đócường độ phát quang của LED tỉ lệ vớicường độ dòng điệnqua điôt GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 12 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
13. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ LED chỉ thị (4) • Điệnápphâncực cho LED gầnbằng độ rộng vùng cấmcủavậtliệu → các LED bứcxạởcác bướcsóngkhácnhausẽđượcchế tạotừ các vậtliệubándẫncóđộ rộng vùng cấm khác nhau và điệnápphâncực cho chúng cũng khác nhau • Tuy nhiên LED có điệnápphâncựcthuậntương đốicao(1,6V ÷ 3V) và có điệnápngược cho phép tương đốithấp(3V ÷ 5V) ĐặctuyếnVôn-Ampecủa LED: ĐặctuyếnVôn-Ampecủa điôt phát quang biểudiễnmốiquanhệ giữa dòng điện quang với điệnápđặtlênLED. I Ungượcmax 0 UD UAK GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 13 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntửHình - KHOA8- 5: Đặ ctKTuyếĐnVT1ôn-Ampecủa LED
14. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ LED chỉ thị (5) Mộtsố loại LED chỉ thị: LED đơn: linh kiệnmột LED LED đôi: dùng cho những ứng dụng đặcbiệt 1 2 Đỏ Xanh/Vàng LED1 LED2 3 Hình 8- 6 : LED đôi A a f b g e c d Hình 8- 7: CấutrúccủamộtLED 7 đoạnsángđấukiểu Anôt chung GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 14 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
15. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ LED hồng ngoại (1) Các hệ thống thông tin quang yêu cầutốc độ bit xấpxỉ 100 đến 200Mbit/s cùng sợi quang đamốtvới công suất quang khoảng vài chục μWthìcác điôt phát quang bán dẫnthường là các nguồnsángtốtnhất Cấutạo: Cấutạocủa LED hồng ngoạicơ bảnlàgiống các LED chỉ thị. Để bức xạ ánh sáng hồng ngoại, LED hồng ngoại đượcchế tạotừ vậtliệu Galium Asenit (GaAs) với độ rộng vùng cấmEG = 1,43 eV tương ứng vớibứcxạ bước sóng khoảng 900nm. Hình 8- 8 mô tả cấutrúccủamộtLED hồng ngoạibứcxạ ánh sáng 950nm. Ánh sáng phát ra ƒ Trong phần epitaxy lỏng trong suốtGaAs Chân cực λ = 950nm (N) tạomộtlớp tinh thể có tính chấtlưỡng GaAs (P) TiếpxúcP-N tính vớitạpchất Silic là GaAsSi (N) và một tiếpxúcP-N được hình thành. GaAsGaAsSiSi (N)(N) ƒ Vớisự pha tạpchất Silic ta có bứcxạ với GaAs (N) trong suốt bước sóng 950nm. Mặtdướicủa LED được Chân cực mài nhẵntạo thành mộtgương phảnchiếu Mặtmàinhẵn Hình 8- 8 : Cấutrúccủa LED hồng ngoạibứcxạ λ =950nm tia hồng ngoại phát ra từ lớptiếpxúcP-N GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 15 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
16. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ LED hồng ngoại(2) Nguyên lý làm việcvàđặc điểm: ƒ Khi phân cựcthuậnchođiôt, các hạtdẫn đasố sẽ khuếch tán qua tiếp xúc P- N, chúng tái hợpvới nhau và phát ra bứcxạ hồng ngoại. Các tia hồng ngoại bứcxạ ra theo nhiềuhướng khác nhau. Những tia hồng ngoạicóhướng đivào trong các lớpchấtbándẫn, gặpgương phảnchiếusẽđượcphảnxạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng hướng với các tia khác → tăng hiệusuấtcủa LED ƒ Ánh sáng hồng ngoạicóđặc tính quang họcgiống như ánh sáng nhìn thấy, nghĩalànócókhả năng hộitụ, phân kỳ qua thấu kính, có tiêu cự Tuy nhiên, ánhsánghồng ngoạirất khác ánh sáng nhìn thấy ở khả năng xuyên suốt qua vật chất, trong đócóchấtbándẫn. Điềunàygiảithíchtại sao LED hồng ngoạicó hiệusuấtcaohơn LED chỉ thị vì tia hồng ngoại không bị yếu đi khi vượt qua các lớpbándẫn để ra ngoài ƒ Tuổithọ của LED hồng ngoạidàiđến 100.000 giờ. LED hồng ngoại không phát ra ánh sáng nhìn thấynênrấtcólợitrongcácthiếtbị kiểm soát vì không gây sự chú ý GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 16 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
17. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Mộtsố hình ảnh của LED GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 17 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
18. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Mặtchỉ thị tinh thể lỏng - LCD (1) Khái niệm: ™ Tinh thể lỏng sử dụng trong LCD là những hợpchấthữucơđặc biệt. Các phân tử của tinh thể lỏng này đượcphânbố sao cho các trụcdọccủa chúng nằm song song với nhau. ™ Ở nhiệt độ thấpLCD ở trạng thái rắn, khi t0 tăng lên đến nhiệt độ nóng chảy thì LCD chuyển sang trạng thái lỏng. Pha trung gian giữa hai trạng thái này là trạng thái tinh thể lỏng ™ LCD không phải là linh kiệnbándẫnquangđiệntử. LCD đượcchế tạodướidạng thanh và chấm-ma trận. LCD là cấukiệnthụđộng, nó không phát sáng nên càng dễđọcnếuxungquanhcàngsáng ™ LCD: dùng làm mặtchỉ thị cho đồng hồ, máy tính con, các thiếtbị đosố, đồ chơitrẻ em, mànhìnhtivi. GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 18 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
19. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ LCD (2) Đặc điểm: ¾Khoảng nhiệt độ sử dụng: (- 100C ÷ + 600C) ¾Điện áp: 3V ÷ 6V (chuẩn là 4,5V) ¾Tầnsố: 30 Hz ÷200 Hz ¾Thờigianđóng: 40 ms ¾Thờigianngắt: 80 ms ¾Dòng điện tiêu hao khoảng 0,2 μA ¾LCD có tuổithọ khá cao từ 10.000 đến 100.000 giờ và ngày nay nó thay thế dần các mặtchỉ thị loại LED hay huỳnh quang GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 19 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
20. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ LCD (3) CấutạocủathanhLCD: oGồmcó2 tấmkínhđặt cách nhau khoảng 10μm. Mặt phía trong của2 tấm kính tráng mộtlớp oxit kẽm(ZnO) trongsuốtlàmhaiđiệncực. o Xung quanh bên cạnh hai tấmkínhđược hàn kín, sau đó đổ tinh thể lỏng vào khoảng giữa2 tấmkínhvàgắnkínlại. oHaitấmnhựa có tính phân cựcánhsángđược dán bên ngoài hai tấmkính sao cho hình ảnh phảnchiếucủamặtchỉ thịđượcnhìntừ mộtphíanhờ gương phảnchiếu. Tấmnhựa phân cựcthứ 2 Gương phảnchiếu Kính ĐiệncựcKeo trong suốt Tinh thể lỏng Kính Tấmnhựa phân cựcthứ 1 Hình 8-9 : Cấutạocủamột thanh LCD Ánh sáng chiếu vào Mắtngườiquansát GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 20 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
21. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Laser bán dẫn(1) • Laser = Light Amplification by Stimulated Diode Emission of Radiation Laser < 3 nm • Đặc điểm: LED -Phổ phát sáng hẹp ~ 75 nm -Kíchthướcnhỏ - Độ ổn định cao -Cóbước sóng ánh sáng trong các cửasổ Relative optical power Hình 8-10 quang 1, 2, 3 Wavelength (nm) - Điềuchế trựctiếpcóthể lên đếnvàiGb/s -Bánkínhbứcxạ nhỏ (ghép vớisợi quang) GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 21 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
22. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Laser bán dẫn(2) 7 Slope gives T → external efficiency η Lasing emission Light output (mW) 0 04I 0 th Bứcxạ Dòng điện(mA) kích Hình 8-11 thích - Giảm dòng điệnngưỡng - Tăng công suấttổng của ánh sáng ởđầura cảithiệnchấtlượng - Tăng hiệusuất quantum mở rộng củathiếtbị laser GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 22 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
23. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ CKếtnấốuti điệnrúccủalaser Hình 8-12 Laser vớicấutrúcdị thể kép a) Index-Guided Các loại laser: b) Gain-Guided ¾Laser đa mode: Fabry-Perot Laser ¾Laser đơn mode: dùng trong các hệ thống thông tin tiên tiến - DFB Laser (Distributed Feedback) - DBR Laser (Distributed Bragg Reflector) - MQW Laser (Multi Quantum Well) ¾Laser có thể điều chỉnh được: điều chỉnh bước sóng phát ra bằng cách (i) thay đổi chiều dài hố (kéo dãn cơ học), (ii) thay đổi hệ số khúc xạ (điều khiển nhiệt độ) GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 23 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
24. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các cấukiệnchuyển đổi Quang – Điện ¾ Các bộ thu quang điệnhoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng chuyển đổi quang điện. Ởđósự hấpthụ photon bởivậtliệubán dẫn đãtạoracáccặp điệntử -lỗ trống → tạoratínhiệu quang điệndướidạng dòng điệnhay điệnthế có thểđo được ¾ Thiếtbị quan trọng nhấtlàđiốt quang bán dẫn (photodiode) ¾ Yêu cầu: - Độ nhạycao -Nhiễu trong nhỏ -Băng thông rộng GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 24 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
25. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Quang trở (LDR-Light Dependent Resistor) (1) Cấutạo & nguyên lý: ¾Là bộ thu tín hiệuquangđơngiảnnhất. Quang trở thường đượclàm bằng chất Sunfit Cadimium (CdS), Selenid Cadimium (CdSe), Sunfit chì (PbS) trong đóloại quang trở CdS có độ nhạyphổ gầnvớimắt ngườinênthôngdụng nhất ¾Quang trởđượcchế tạobằng cách tạomộtmànbándẫntrênnền cách điệnnốira2 đầu kim loạirồi đặttrongmộtvỏ nhựa, mặttrêncólớp thuỷ tinh trong suốt để nhận ánh sáng bên ngoài tác động vào hυ Bản điệncực Dây dẫnnốitừ điệncực ra ngoài Bán dẫn Đế cách điện Hình 8-13 GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 25 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
26. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Quang trở (2) ¾ Khi ánh sáng chiếuvàobề mặtquangtrở, các cặpe-lỗ trống đượcsinhravà được điệntrường cuốn ra phía các điệncực. Phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng chiếu vào, dòng điện bên ngoài cũng thay đổi theo. ¾Trị sốđiệntrở của quang trở thay đổitheođộ sáng chiếuvàonó. Khibị che tối thì quang trở có trị sốđiệntrở rấtlớn(vàiMΩ), khi đượcchiếusángthìđiệntrở giảmnhỏ (vài chục Ω÷ vài trăm Ω). ¾ Ưu điểm của quang trở: có khuếch đại trong, nghĩa là dòng quang điệnthu đượccósốđiệntử (hay lỗ trống) lớnhơnsốđiệntử (hay lỗ trống) do photon tạo ra RCdS Hình 8.14. Ký hiệu, hình dạng của quang trở Lux Hình 8.15. Đặctínhcủa quang trở ¾Ứng dụng: dùng trong các mạch thu tín hiệu quang, trong báo động, đóng ngắtcácmạch điện, trong đo đạc, điềukhiểnvàtựđộng hoá GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 26 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
27. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Nguyên lý của điốt quang ƒ Cung cấpmột điện áp phân cựcngược phù hợpchomộttiếpgiápP-N đơngiản → pnhν tạoramột điệntrường → tách các cặpe lỗ -V +V trống do ánh sáng tạo ra (do sự hấp thu ánh sáng trong chất bán dẫn) ƒ Tốc độ đáp ứng đượcxácđịnh bởi điện dung củathiếtbị → bị chi phốibởi độ dày của vùng chuyểntiếp → thiếtbị diện tích nhỏ và các vùng tích cực có pha tạpthấpsẽ có điện dung nhỏ, nghĩalàtốc độ cao ƒ Nhiễu: nhiễuthấpnếugiảmnhỏ dòng Electric field Distance (x) điệnrò(chủ yếulàdòngròbề mặt) bằng Hình 8-16 cách dùng các vậtliệu có vùng cấmrộng ở bề mặt GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 27 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
28. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ PIN Diode (Photodiode có lớpbándẫnthuần) Hình 8-17 (a) Mô hình bộ thu quang PIN. (b) Đáp ứng / bước sóng đốivớibộ thu quang InGaAs/InP ¾ ĐiốtPIN baogồmlớpP, lớp I và lớpN. LớpI làlớp bán dẫn thuầncóđiệntrở rấtcaođể khi ĐiốtPIN được phân cựcngược, lớp nghèo có thể lan ra rấtrộng trong lớpI để hướng phầnlớncác photon rơivàhấpthụ trong đó ¾ Trong lớpI cóđiệntrường cuốnrấtcaođể cuốnhạttải nhanh chóng về 2 cựctạo nên dòng quang điện ở mạch ngoài GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 28 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
29. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ PIN Diode (2) ¾ Hấpthụ các photon → cặpe-lỗ trống → dòng điện: 2 it()= R.p()t ≈ RE()t q R =η λ R = Đáp ứng hc η = hiệusuấtlượng tử < 1(vd: 0,95%), q = điện ĐặctuyếncủaPIN tích e-; h = hằng số Planck (6,63.10-34 J/Hz) Cấu trúc PIN có thờigianđáp ứng rất nhanh và hiệusuấtlượng tử cao. Nhược điểm: dòng tối và nhiễu tương đốilớn, đặcbiệtlàđốivớicác bán dẫn có vùng cấmnhỏ như Ge Hình 8-18 GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 29 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
30. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ APD •Miềntăng tốc(miềnhấpthụ ánh sáng) & miền nhân hạttảilàtáchbiệt nhau • Khi có ánh sáng chiếu vào, các hạttải đi qua miềnhấpthụ sẽđược tăng tốc, chúng va đậpmạnh vào các nguyên tử của bán dẫn gây nên sự ion hoá và tạoracáccặpe -lỗ trống mới. Quá trình đượclặp đilặp lạinhiềulần → hiệu ứng thác lũ → tăng dòng quang điện bên ngoài, tăng độ khuếch đại(tăng độ nhạycủa APD) • Điệnápphâncựcngược cao (>100V) → Photon tạoracáccặpe-lỗ trống → các cặp e/lỗ trống tăng thêm do hiệu ứng thác lũ M = độ khuếch đại thác lũ (vd: 100) q R lRλ ,.= MR, APD ≈ hc APD Độ khuếch đại cao, nhưng băng thông thường thấphơn, nhiềunhiễu trong hơnso Hình 8.19 Mô hình APD với với điốtPIN vùng nhân và vùng hấpthụ tách biệt GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 30 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
31. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các đặc điểmcủa điốt quang GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 31 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
32. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Transistor quang (1) Cấutạovànguyênlý: ¾Transistor quang có cấutrúc3 lớpnhư BJT thông thường nhưng miềncựcgốc để hở, có mộtdiện tích thích hợp để tiếp nhận ánh sáng chiếu vào qua cửasổ ¾Khi Transistor quang ở chếđộhoạt động thì tiếpgiápBC được phân cựcngượccòntiếp giáp BE phân cựcthuận ¾Khi ánh sáng chiếu vào Transistor quang, các hạttải đượcsinh ra và đượckhuếch tán tớitiếpgiápBC, tiếpgiápnàysẽ tách điệntử và lỗ trống để góp phầntạo nên dòng quang điện ¾TiếpgiápBC cóvaitrònhư một điốt quang, các hạttảitừ phía tiếpgiápthuậnBE được tiêm chích vào cựcgốc B. Dòng quang điệntrongmiền B (dòng rò ICB) sẽ trở thành dòng IB và đượckhuếch đạilên(β+1) lần ở collector GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 32 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
33. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Transistor quang (2) Ký hiệu: (a) (b) !NPN!NPN Hình 8.20 Ký hiệucủa Transistor quang 2 cực (a) và Transistor quang 3 cực (b) Đặc điểm: ¾Độ khuếch đại: 100 ÷1000 lầnvàđộ khuếch đại là không tuyến tínhtheocường độ ánh sáng chiếuvàomốinốigiữacựcC vàB ¾Tốc độ làm việcchậmdo tụđiệnkísinhCcb gây hiệu ứng Miller ¾Tầnsố làm việcmax ∼vài trămKHz ¾Để tăng độ nhạyngườitachế tạoloại Transistor lắp theo kiểu Darlington GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 33 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
34. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Transistor quang (3) Ứng dụng: (a) (b) (c) +V +V CC +V CC D CC D 1m RY 1m 1N1183 RY 1N1183 R 1k R 1k !NPN !NPN !NPN !PNP !NPN !NPN 1m RY 1N1183 Hình 8.21 ¾Mạch điện a) dùng transistor quang lắp Darlington với transistor công suất để điềukhiểnrơle RY. Khi đượcchiếusángtransistor quang dẫn làm transistor công suấtdẫncấp điệnchorơle GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 34 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
35. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Transistor quang (4) ¾Mạch điện hình (b) lấy điệnápVccủa transistor quang để phân cực cho cựcB của transistor công suất. Khi transistor quang được chiếusángsẽ dẫn điệnvàlàmđiệnápVcgiảm, cực B transistor công suất không được phân cựcnênngưng dẫnvàrơle không đượccấp điện. ¾Mạch điện hình (c) dùng transistor loại PNP nên có nguyên lý ngượclạimạch điện hình (b) khi quang transistor đượcchiếu sáng đượcdẫn điệntạosụtáptrênđiệntrởđểphân cực cho cựcB của transistor công suấtloại PNP làm transistor công suấtdẫn, cấp điệnchorơle. ¾Hiệnnay ngườitacònchế tạo JFET quang và Thyristor quang GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 35 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
36. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các bộ ghép quang (Opto- Couplers) (1) ¾Mục đích: dùng để cách điệngiữacácmạch có sự khác biệtlớnvề điệnáp ¾VD: mạch tựđộng điềukhiển công suấtcóđiệnápcao(U = 200V÷380V, 660V hay 1000V); mạch điềukhiểnthường có điệnápthấp như các mạch logic, máy tính hay các hệ thống phảitiếpxúcvớicon người ¾Cấutạo: Bộ ghép quang gồm 2 thành phầngọilàsơ cấpvàthứ cấp. Phầnsơ cấplàmột điốtloại GaAs phát ra tia hồng ngoại, phầnthứ cấplàmột Transistor quang loại Silic. Khi được phân cựcthuận, điốt phát ra bứcxạ hồng ngoạichiếulêntrênmạch của Transistor quang. ¾Nguyên lý: Phầnsơ cấplàLED hồng ngoạibiến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng. Tín hiệu ánh sáng này sẽđượcphầnthứ cấp (Transistor quang) biến đổilại thành tín hiệu điện GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 36 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
37. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các bộ ghép quang (2) 6 1 4 1 !NPN !NPN !NPN 5 IF IC 2 233 4 1N1183 1N1183 1N1183 Hình 8.22 Nguyên lý Hình 8.23. Bộ ghép quang transistor ¾ Đặc điểm: ƒ Điệnápcáchđiệngiữasơ cấpvàthứ cấp(vàitrămvôn÷ hàng ngàn vôn) ƒ Bộ ghép quang có thể làm việcvớiIDC hoặcIAC có tầnsố cao ƒ Điệntrở cách điệngiữasơ cấpvàthứ cấpcótrị số rấtlớn(vàichục MΩ÷vài trămMΩ) đốivớiIDC ƒ Hệ số truyền đạt dòng điện(IC/IF): vài chục% ÷ vài trăm% tuỳ loại bộ ghép quang GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 37 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
38. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các bộ ghép quang (3) ¾ Các loạibộ ghép quang: a) Bộ ghép quang Transistor: Phầnthứ cấp: Transistor loạiSi. Đốivớibộ ghép quang transistor có 4 chân thì transistor không có cực B, trường hợp bộ ghép quang transistor có 6 chân thì cựcB đượcnốira ngoài (hvẽ). Bộ ghép quang không có cựcB cóưu điểmlàhệ số truyền đạtlớn, nhưng có nhược điểmlàđộ ổn định nhiệt kém. NếunốigiữacựcB vàE một điệntrở thì các bộ ghép quang transistor này làm việckháổn định với nhiệt độ nhưng hệ số truyền đạtbị giảm đi. GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 38 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
39. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các bộ ghép quang (4) b) Transistor quang Darlington: có nguyên lý như bộ ghép quang với transistor quang nhưng vớihệ số truyền đạtlớnhơnvàitrămlầnnhờ tính chất khuếch đạicủamạch Darlington. Nhược điểm: ảnh hưởng bởinhiệt NDAR1 6 độ rấtlớnnêngiữachânB vàE của 1 5 transistor sau thường có điệntrởđể ổn định nhiệt. 2 1k 4 3 1N1183 Hình 8.24 Transistor quang Darlington GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 39 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
40. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các bộ ghép quang (5) c) Bộ ghép quang với Thyristor quang: ƒ Gồmmột điốt quang và 2 transistor lắp theo nguyên lý củaSCR ƒ Khi có ánh sáng hồng ngoại do LED ở sơ cấpchiếuvàođiốt quang thì sẽ có dòng điệnIB cấp cho transistor NPN và khi transistor NPN dẫnthìsẽđiềukhiển transistor PNP dẫn điện. Thyristor quang đã đượcdẫn điệnthìsẽ duy trì trạng thái dẫn mà không cầnkíchliên tục ở sơ cấp ƒ Để tăng khả năng chống nhiễungườitanốigiữa chân G và K bằng một điệntrở từ vài KΩ÷vài chụcKΩ A FD1 BP104S 6 1 !PNP Hình 8.25 Ký hiệuvàcấutrúc bán dẫntương đương của 5 Thyristor quang 2 G 2N1595 !NPN 3 4 1N1183 K GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 40 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
41. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các bộ ghép quang (6) d) OPTO- Triac: có cấutrúcbándẫnnhư hình vẽ T2 6 1 2 5 2N5444 3 4 1N1183 FD1 !NPNG BP104S FD1 !PNPBP104S 1k !NPN !PNP 1k Hình 8.26 Ký hiệuvàcấu trúc bán dẫn tương đương của Triac quang T1 GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 41 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
42. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các bộ ghép quang (7) ¾ Ứng dụng: ƒ Các loạibộ ghép quang có dòng điện ở sơ cấp cho LED hồng ngoạikhoảng 10 mA ƒ Đốivới transistor quang khi thay đổitrị số dòng điệnqua LED hồng ngoại ở sơ cấpsẽ làm thay đổi dòng điệnraIC của transistor quang ở thứ cấp. ƒ Các bộ ghép quang có thể dùng thay cho rơle hay biến áp xung để giao tiếpvớitảithường có điệnápcaovà dòng điệnlớn. GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 42 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
43. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các bộ ghép quang (8) ¾ Mạch điện hình 8.27 là ứng dụng của transistor quang để điềukhiển đóng ngắtrơle ¾Transistor quang trong bộ ghép quang được ghép Darlington với transistor công suất bên ngoài +24V ¾Khi LED hồng ngoại ở sơ cấp đượccấp nguồn5V thìtransistor D 1m RY quang dẫn, điềukhiểntransistor 1N1183 390 1k Ω NDAR1 công suấtdẫn để cấp điệncho rơle RY +5V ¾ Điệntrở 390Ωđểgiớihạn dòng qua LED hồng ngoạikhoảng 1N1183 10mA Hình 8.27 GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 43 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
44. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các bộ ghép quang (9) ¾ Mạch điệnhình8.28 làứng dụng củaOPTO-Triacđể đóng ngắt điệnchotải dùng nguồn xoay chiều 220V ¾ Điệntrở 1kΩđểgiớihạn dòng qua LED hồng ngoạikhoảng 10mA. ¾ Khi LED sơ cấp đượccấp nguồn 12V thì Triac quang sẽđược kích và dẫn điệntạodòngkíchchoTriaccôngsuất. Khi Triac công suất đượckíchsẽ dẫn điệnnhư một công tắc để đóng điệncho tải. 1k Tải +12V ~220V U1 D30 2N5444 1N1183 Hình 8.28 GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 44 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1